Flagelli batterici

I FLAGELLI O CIGLIA 

Nello strato più esterno di una cellula batterica troviamo diverse appendici, che possono essere:

  • pili o fimbrie
  • flagelli o ciglia

Il flagello è un organo di movimento

  • Il flagello nei batteri funziona come l’elica di un motore (il nome è erroneo per i batteri), è piuttosto rigida e si muove in rotazione solamente a livello della sua superficie basale
  • Il flagello dei protozoi e delle cellule eucariote invece è come una frusta

Al microscopio è molto importante riconoscere la motilità di un microrganismo, di solito l’ingrandimento è di 40X per quanto riguarda l’obiettivo e di 10X per quanto riguarda l’oculare. E’ importante osservare il preparato a fresco (con le cellule ancora vive), così se ne descrivono la capacità e la modalità di movimento del batterio stesso. La motilità rappresenta dunque un altro importante carattere per catalogare un batterio, insieme al tipo di colonia ed alla sua disposizione spaziale. L’osservatore deve distinguere un movimento browniano da un movimento attivo:

  1. il movimento browniano è un moto disordinato, non è determinato dalla presenza dei flagelli
  2. il movimento attivo è quello dato dalla presenza del flagello

Il flagello non si vede al microscopio ottico perché ha un diametro di circa 120 Angstrom, mentre in lunghezza può arrivare anche a dieci volte la dimensione del batterio. Per essere osservato al microscopio, nonostante sia molto lungo, il flagello necessita di essere colorato tramite un’impregnazione argentea.

La maggior parte dei movimenti è a carico dei bacilli, mentre i cocchi sono per lo più immobili.

I batteri sono velocissimi, percorrono circa 65 volte la lunghezza del loro corpo in un secondo, dunque al microscopio il movimento è apprezzabile per pochi centesimi di secondo.

I flagelli differiscono tra i batteri e le cellule eucariote:

  • Il flagello di un protozoo è formato da 20 strutture proteiche accoppiate 2 a 2 (ci sono 9 coppie di microtubuli raccolti circolarmente, più 1 coppia posta centralmente). Le nove coppie sono immerse in una matrice amorfa, circondata da una membrana contigua con la membrana citoplasmatica.
  • Nei batteri il flagello è formato da un unico filamento dato da più unità proteiche avvolte a spirale a circondare un asse ideale. La sostanza che va a formare questi flagelli è una proteina detta flagellina (di diverso tipo a seconda del batterio).

Le proteine sono i migliori antigeni che troviamo in natura, in quanto una buona antigenicità delle sostanze dipende dall’elevato grado di complessità della molecola (infatti le proteine sono molto complesse strutturalmente). I flagelli dei batteri hanno una forte attività antigenica e stimolano la produzione d’anticorpi che possono poi servire nella diagnosi sierologica.

La struttura più importante del flagello batterico è il filamento esterno, costituito da queste fibre che si assemblano in maniera elicoidale, e che si muove come un’elica. Il flagello è ancorato ad una struttura chiamata corpuscolo basale tramite un gancio, una sorta di uncino. Il corpuscolo basale è il motore molecolare che fa funzionare l’elica (ovvero il flagello).

I flagelli sono strutturati diversamente a seconda che appartengano ai batteri Gram+ od ai batteri Gram-. Poiché il flagello è adeso tra la membrana citoplasmatica e la parete batterica, la conformazione della parete stessa influenza la struttura del flagello, ma anche il corpuscolo basale è diverso tra i batteri Gram+ ed i batteri Gram-, in entrambi i casi però sono circa 15 proteine diverse a costituirlo.

Il corpuscolo basale nei batteri Gram+ è formato da un bastoncello centrale che tiene uniti due dischi, uno a contatto con la parte inferiore del peptidoglicano e l’altro a contatto con la parte superiore della membrana citoplasmatica. Il primo anello è chiamato P, proprio perché è vicino al peptidoglicano, mentre l’altro anello è chiamato anello M, perché è vicino alla membrana plasmatica.

Nei batteri Gram- il corpuscolo basale invece è più complesso, in particolare è formato da due coppie di anelli unite da un bastoncino centrale, con la base che è la stessa che troviamo nei batteri Gram+, quindi è formata dall’anello M e dall’anello S (stà per supermembrana, si trova localizzato sopra la membrana plasmatica), poi abbiamo l’anello P e l’anello L (che stà per lipopolisaccaride).

I due corpuscoli sono obbligati ad avere una diversa conformazione, che è dettata dalla diversa parete batterica.

Il movimento dei batteri si osserva in laboratorio con l’utilizzo di uno specifico terreno detto “agar molle”. Nell’agar molle, a causa di una bassa percentuale di agar (pari allo 0,7 %, contro l’1,5 % di agar presente nel terreno di coltura “agar normale”) si crea un’intelaiatura molto lassa in cui il batterio riesce a muoversi. Se il batterio non ha la capacità di muoversi, il giorno dopo si osserverà una crescita della colonia solo nel punto di inoculo, se invece il batterio è mobile, il giorno dopo si osserveranno delle colonie batteriche in vari punti della provetta.

In un terreno di coltura liquido, la presenza dei flagelli è determinata diversamente. Se ci sono dei flagelli, sul terreno di coltura si creerà una patina data dall’aggrovigliarsi di tutti questi flagelli, mentre se mancano, il terreno di coltura diventerà uniformemente torbido. Per indicare questo comportamento si utilizzano due termini, ovvero l’Antigene O e l’Antigene H.

Antigene H (flagellato) = è presente quando si forma la pellicola, quindi il batterio analizzato è flagellato

Antigene O (somatico) = lo rileviamo sulla superficie del terreno di coltura quando non si forma la patina, quindi il batterio non è flagellato

 

  • Gli antigeni flagellari riescono a stimolare gli anticorpi, essendo delle proteine, tali anticorpi vengono chiamati “anti H” perché i flagelli vengono definiti H, dal tedesco “hauch” (letteralmente dal tedesco significa “respiro”).
  • Gli antigeni proteici non appartenenti al flagello invece vengono definiti “O” da “ohne hauch” (letteralmente dal tedesco significa “senza fiato”).

Le sigle O ed H sono state quindi prese ad indicare gli antigeni del soma batterico (O) e gli antigeni flagellari (H), di conseguenza gli anticorpi prodotti saranno gli anti O e gli anti H.

Possiamo fare una distinzione in base alla disposizione dei flagelli nel batterio:

  • Atrichi: privi di flagelli
  • Monotrichi: possiedono un flagello in un polo, e sono quelli che si muovono più velocemente (ad esempio lo Pseudomonas aeruginosa)
  • Anfitrichi: possiedono un flagello ai due estremi della cellula
  • Lofotrichi: hanno più flagelli all’estremità cellulare
  • Peritrichi: hanno dei flagelli disposti su tutto il soma batterico

Il flagello può muoversi in senso orario o antiorario:

  • Una rotazione in senso orario provoca dei movimenti casuali (tumbling), il flagello si muove così in maniera casuale
  • Una rotazione in senso antiorario porta ad una propulsione monodirezionale (swimming). Il flagello muovendosi dà propulsione al batterio e genera un movimento ben orientato in una direzione

I movimenti flagellari sono condizionati da una chemiotassi che può essere positiva o negativa a seconda delle sostanze (le proteine) con cui l’organismo viene a contatto, attraverso i chemiorecettori presenti sulla membrana. È stato dimostrato che i batteri possono muoversi verso una direzione ben precisa (una fonte energetica od una fonte nutrizionale, o allontanarsi ad esempio da una fonte che non li attrae per nulla). Questo a dimostrazione dell’esistenza di chemiorecettori sulle cellule batteriche che permettono loro di indirizzarsi verso un punto preciso, questi chemiorecettori sono fondamentali nel condizionare il movimento di swimming o tumbling.

La chemiotassi è un movimento orientato, regolato da delle proteine dette “chemiorecettori”, situate sulla membrana del batterio, in particolare rappresenta la capacità dei batteri di rispondere col movimento ad uno stimolo nutrizionale o di diversa natura, spostandosi verso la sorgente (Chemiotassi positiva) o allontanandosi da essa (Chemiotassi negativa).

Un batterio che si muove verso una fonte specifica cambia direzione con una frequenza nettamente inferiore rispetto ad un batterio che invece si muove casualmente, viene infatti considerata una chemiotassi positiva anche la diminuzione della frequenza con cui un batterio cambia a caso continuamente la sua direzione, in quanto il movimento monodirezionale di un batterio è solitamente intervallato da episodi di “tumbling”.

 

Tramite una semplice osservazione al microscopio è molto difficile osservare questo fenomeno, in quanto i batteri scompaiono ogni 3 centesimi di secondo al di sotto dello strato di patina che si è creato nel terreno di coltura dell’”agar molle”. Come lo si può osservare in maniera più dettagliata?

  1. Immergo un capillare vuoto in una sospensione di cellule batteriche, e tali cellule rimangono diffuse, ovvero non si avvicinano e nemmeno si allontanano dal capillare, non si è verificata nessuna chemiotassi
  2. Immergo nella stessa sospensione di cellule batteriche un capillare contenente una soluzione di glucosio, quindi una fonte nutrizionale importante, le cellule allora si avvicinano al capillare, attratte dal glucosio (si parla di una chemiotassi positiva)
  3. Immergo nella stessa sospensione un capillare contenente delle sostanze non gradite alle cellule microbiche, allora le cellule tendono ad allontanarsi (si può parlare di una chemiotassi negativa)

E’ molto importante tener presente la mobilità dei batteri, in quanto può essere anch’essa un fattore di virulenza, ad esempio il fatto che un batterio possa muoversi, andando a cercare all’interno di un ospite un posto più consono al suo sviluppo, è certamente da considerare un fatto positivo per il batterio stesso, infatti i batteri che non possono muoversi devono accontentarsi passivamente di quello che succede all’interno dell’organismo ospite, potendo solo farsi condurre nelle sedi più appropriate per la nascita delle loro colonie solamente da altri meccanismi dell’ospite stesso.

Ci sono dell’eccezioni al classico movimento dei flagelli:

  1. Spirochete: si muovono diversamente, perché hanno un flagello endocellulare, che permette a questi batteri di muoversi come dei bruchi, tramite la contrazione del flagello. E’ un flagello non esterno alla cellula, ma decorre in parte nel corpo cellulare, inoltre di solito ve ne sono due.

Il loro flagello è collegato ai due poli della cellula, ed il movimento “a bruco” che viene generato, viene impiegato per valutare ad esempio la reazione batteriocidia o d’immobilizzazione (detta anche reazione di Nelson e Mayer) per individuare gli agenti eziologici in un paziente affetto da Treponema pallidum (l’agente eziologico della sifilide). Il Treponema Pallidum ha un antigene molto importante, identico all’antigene lipoideo del fegato. Quindi anche l’organismo di un soggetto sifilitico produce degli anticorpi anti-antigene lipoideo, e tale soggetto presenterà una situazione molto simile, dal punto di vista sierologico, a quella di un malato di cirrosi o di una donna in gravidanza. Può succedere che una donna in gravidanza che ha gli anticorpi antilipoidei del fegato può essere Wassermann positiva (è una reazione sierologica che serve per individuare degli anticorpi anti-Treponema), ci sono quindi delle reazioni sierologiche che si avvalgono della messa in evidenza di anticorpi in circolo, non specifiche, proprio perché ci possono essere degli antigeni comuni fra uomo e batteri. Fra l’altro questo antigene lipoideo non si trova solo nel nostro fegato e nel Treponema Pallidum, ma si trova anche nel miocardio di bue. Quindi può capitare che lo strascico anticorpale lasciato da un batterio possa essere confuso con qualcosa di diverso. Avere un antigene comune può permettere di andare a trovare degli anticorpi che non hanno a che fare con l’agente eziologico della malattia e ciò può far cadere in errore la persona che valuta ad esempio un referto.

In conclusione:

  • Se mettiamo insieme un Treponema con il siero di un paziente non affetto da sifilide, osserviamo al microscopio ottico a campo scuro che il batterio continua a muoversi nel siero del paziente in quanto non ci sono degli anticorpi specifici nei confronti del Treponema
  • Se il soggetto è affetto da sifilide presenta degli anticorpi anti-Treponema che si vanno a legare all’antigene proteico o all’antigene che troviamo sul soma batterico. Questo legame comporta la formazione di un immuno-complesso che attiva il complemento presente nel siero del paziente, provocando dei fori nel soma batterico che portano alla morte del microrganismo, per questo non abbiamo più il movimento del batterio, si parla appunto di reazione d’immobilizzazione o batteriocidia

Ci sono tantissime reazioni sierologiche che servono a fare delle diagnosi di sifilide, ovvero delle reazioni di precipitazione, di agglutinazione ed anche di fissazione del complemento, ma la più specifica rimane quella dell’immobilizzazione, questo perché nelle altre reazioni si utilizzano degli antigeni che non rappresentano i veri batteri responsabili della patologia. 

Gli auto-antigeni fisiologici sono delle sostanze che non sono state catalogate come antigeni del “self” nel periodo embrionale. Gli auto-antigeni fisiologici sono gli spermatozoi ed il latte materno, vengono infatti prodotti dopo la maturazione del sistema immunocompetente. Se iniettiamo gli spermatozoi nel soggetto stesso, esso produce degli anticorpi antispermatozoi, e lo stesso meccanismo vale per il latte materno.